Nature Method論文解讀：使用ONIX系統(tǒng)捕獲小鼠自然行為的神經(jīng)信號

圖1：ONIX——用于無約束自由活動記錄的統(tǒng)一開源平臺

a. ONI簡化框圖（以tetrode頭戴平臺為例）：多個設(shè)備通過單一微同軸電纜，采用串行協(xié)議與主機PC通信，實現(xiàn)小型多功能頭戴平臺設(shè)計。b. 集成九軸絕對方向傳感器與3D追蹤系統(tǒng)冗余測量動物旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動電機化commutator（無需測量纜線扭矩），支持長時間記錄。小型驅(qū)動器植入體44實現(xiàn)低剖面植入（總高約20mm）。c. ONIX微同軸纜線（0.31mm）與標準12線數(shù)字纜線對比。d. 纜線對動物頭部的扭矩：現(xiàn)有纜線僅在小場景或無拉力時允許完全自由活動，而ONIX微同軸纜線扭矩可忽略。e. ONIX性能：64通道頭戴平臺在Windows 10上實現(xiàn)最差情況（99.9%）閉環(huán)延遲（從神經(jīng)電壓讀取→主機PC→返回頭戴平臺觸發(fā)LED）<1ms。（縮寫：FPGA-現(xiàn)場可編程門陣列；EIB-電極接口板；FIFO-先入先出緩沖區(qū)）

不受阻礙行為下的長期神經(jīng)生理學研究
通過一系列嚴謹?shù)男袨閷嶒灒�充分驗證了ONIX系統(tǒng)在自由活動小鼠長期神經(jīng)生理學研究中的卓越性能。

研究人員構(gòu)建復雜3D泡沫場景（1.5×1.5×0.5米），讓小鼠自由探索8小時。通過巧妙設(shè)計對照實驗（每2小時切換ONIX微纜線與標準SPI纜線），定量證明標準纜線（扭矩>0.4 mNm）會嚴重限制小鼠探索行為與頭部運動自由（空間熵4.21 vs 0.287比特，P<0.0001），而ONIX微同軸纜線（扭矩≈0.1 mNm）則使動物行為恢復至與無植入組統(tǒng)計無差異水平（空間熵置信區(qū)間重疊）。ONIX使植入小鼠的中位奔跑速度較標準纜線提升12倍。

圖2：ONIX實現(xiàn)的無限制自然運動行為

a. 實驗概覽：小鼠自由探索由不同高度泡沫塊構(gòu)成的3D場景。b. 無植入小鼠、標準纜線小鼠（上）與ONIX微同軸纜線小鼠（下）通過多相機無標記姿態(tài)估計31進行3D追蹤。c. 記錄過程中頭部偏航與俯仰占據(jù)分布。d. 記錄過程中的速度分布。e. 記錄期間小鼠軌跡的二維投影。
在7.3小時連續(xù)記錄中，小鼠甚至出現(xiàn)自發(fā)跳躍（>10cm）等復雜行為，并成功捕捉到跳躍中神經(jīng)活動。最后，55小時無人值守的家籠LFP記錄證明系統(tǒng)具備長期防纏繞能力和超高可靠性，支持真正意義上的多日不間斷實驗，為自然行為下的神經(jīng)機制研究樹立了新標桿。

圖3：自然運動中的穩(wěn)定長期記錄

a. 7.3小時ONIX記錄中頭戴平臺3D追蹤傳感器位置（小鼠自由探索3D場景）。紅色軌跡與片段顯示小鼠多次從低處跳向高處瓷磚的典型實例。b. 跳躍視頻幀（纜線過細不可見），參見視頻1。c. 記錄第1小時（上）與第7小時（下）兩通道原始電壓與尖峰峰值振幅。d. 全程記錄的3D位置、朝向與平滑發(fā)放率。e. 同d數(shù)據(jù)，展示跳躍片段。f. 跳躍期間的Z軸位置、原始電壓示例及71個神經(jīng)元的排序尖峰。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開放標準
研究展示了ONIX開放標準的卓越靈活性：同一ONIX系統(tǒng)可無縫集成并控制兩大主流第三方設(shè)備——UCLA Miniscopes和Neuropixels探針，支持同步采集。通過Bonsai軟件平臺，進一步實現(xiàn)了多相機同步追蹤與實時行為分析工具（如DLC、SLEAP）的融合，為高精度閉環(huán)實驗奠定基礎(chǔ)。對開發(fā)者而言，ONI標準極大降低了新型探針/傳感器與頭戴平臺的集成門檻，并通過標準化軟硬件接口（尤其FPGA通信）簡化了超高速相機等采集系統(tǒng)的開發(fā)，確保系統(tǒng)互操作性。所有設(shè)計文檔開源共享（可在https://github.com/open-ephys獲取），有力推動可定制化神經(jīng)技術(shù)工具的發(fā)展。

圖4：ONIX兼容現(xiàn)有與未來記錄技術(shù)

a. ONIX結(jié)合Bonsai可同步采集多數(shù)據(jù)源（如tetrode頭戴平臺、Neuropixels頭戴平臺和/或UCLA Miniscopes）。b. 64通道細胞外頭戴平臺（用于圖1-3），集成3D追蹤、電刺激器（擴展數(shù)據(jù)圖10）、雙通道LED驅(qū)動器和IMU（底部未展示）（上）；頭戴平臺采集的示例神經(jīng)記錄與對應(yīng)3D姿態(tài)軌跡（下）。c. ONIX兼容現(xiàn)有UCLA Miniscopes（v.3-4）45,55；小鼠CA1示例記錄的去背景最大投影（中）；10個示例神經(jīng)元的背景校正熒光軌跡（黑）與CNMF輸出（Minian63處理，紅）（下）。d. 用于雙Neuropixels探針與IMU的ONIX頭戴平臺，支持無扭矩commutator的長期自由行為記錄；電壓熱圖顯示頭固定記錄片段；虛線標注通道的電壓時間序列以藍色顯示。

研究結(jié)論
這篇研究開發(fā)了ONIX開源系統(tǒng)，通過超細纜線（0.31mm）和主動防纏繞技術(shù)，徹底解決了自由行為神經(jīng)記錄中扭矩干擾的難題。首次在自然行為范式（如三維跳躍、多日睡眠）中實現(xiàn)多模態(tài)神經(jīng)數(shù)據(jù)的高帶寬同步采集與亞毫秒閉環(huán)調(diào)控，為揭示自然行為下的神經(jīng)機制提供了革命性工具。 

參考文獻：
Newman JP, Zhang J, Cuevas-López A, et al. ONIX: a unified open-source platform for multimodal neural recording and perturbation during naturalistic behavior. Nat Methods. 2025 Jan;22(1):187-192. doi: 10.1038/s41592-024-02521-1.

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